T型悬浮式复合压力/差压变送器

• 关键词：T型悬浮式结构,复合压力/差压传感器
• 摘要：本文介绍了重庆市伟岸测器制造有限公司的T型悬浮式复合压力/差压变送器的框架结构，分析了T型悬浮式复合压力/差压传感器的特点及检测电路原理，给出了主要的技术指标和设计目标。

一、T型悬浮式复合传感器 
　　T型悬浮式复合压力/差压传感器与1151电容传感器相比，具有鲜明特点和性能优势。两种电容传感器虽然都是由金属膜构成电容，但结构却是截然不同，没有了1151自身难以克服的那些弊端，使传感器的性能得到很大的提高。这种传感器结构引入了“悬浮”的概念，这种悬浮实际上是两层含义，其一是力学上的悬浮，其二是电路上的悬浮（隔离）。压力传感器实际就是一个机电一体的器件，双重意义的悬浮使其具有卓越的性能。为阐述清楚这种悬浮结构的优点，首先来分析一下1151电容传感器的结构和存在的弊端。
1151传感器见图1所示： 

　　传感器的结构可以描述为两个膜座和测量膜片焊接在一起形成一对差动电容，膜座端面与隔离膜片和焊环焊接，再焊接固定于套子中形成膜盒。显然测量膜片和外围的结构件因为金属焊接而电路导通，即电路上必须采取措施进行隔离，电路分析时再详细分析这一问题。隔离膜片很薄且是软态，其抗弯刚度与测量膜片相比忽略不计，因此只起隔离和传压作用，真正的敏感元件就是测量膜片。压环的变形及隔离膜片的扭曲必然会通过传动介质影响到测量膜片位移；膜座体的变形必然直接影响电容结构的变化。焊接的环节较多，而且各环节紧密联系互相作用，焊接残余应力的逐渐消失会造成传感器的不稳定。另外，膜盒还将由两块模板装夹，理论和实验都表明这种装夹力会影响传感器的电容，而且这种装夹应力随时间而变化，在振动环境下此过程会更加明显。所有这些因素都将影响传感器的性能，也是这种结构难以克服的天然问题，要想获得更高性能的传感器，必须从结构上出发。T型悬浮式结构就是一种很有特点的结构型是，下面分析一下它否认结构。
 T型悬浮式结构如下图2所示：

 
　　这种传感器的传感部分和1151近似，仍然是两个膜座和测量膜片焊接在一起构成一对差动电容。但传感部分和传感器其他部分是通条弯曲90�的金属管支撑连接，就像悬浮于其中，也因此称之为悬浮式结构。显然，金属管具有一定的弹性，比起膜座本体来容易变形得多，因此外部的变形经金属管抑制后不会引起膜座本体变形，这就起到很好的力学隔离作用。当然，有一种可能性仍然存在，那就是外部变形造成传动介质的压入或吸出以致影响测量膜片位移。这种影响可以通过隔离膜片及焊环部分细致的设计得到很大的抑制。由此可见由于具有很好的力学隔离，传感部分的工作受外部的力影响会非常之小，为获得高性能打下先天基础。

    T型传感器除了悬浮式结构外，还增加了一个嵌入的硅传感器来测量参考端（通常L端）的压力，因而这又是一种复合式传感器，可以同时获取差压和压力两个过程变量，而且也为静压补偿提供了实现途径。这些辅助的功能都使得T型传感器具有先天的优良特性。

二、T型变送器的检测原理
整个变送器的电路原理框图如图3所示：
　　显然，T型传感器中最重要的被检测量是差压，即差动电容的变化，其次是参考压力的测量，即硅传感器的输出，最后是温度的测量。静压传感器采用硅电阻桥，电路上构造一个高精度的电流源流过电桥，电桥的输出端接AD芯片，通过采样得到数字量。温度则直接采用高精度的数字温度传感器。这里不再详细讲述这些量的测量，而是谈一下差压的测量。

差压得测量就是电容的测量，实际是差动电容的测量问题。

电容的测量方式多种多样，在电容传感器方面主要有如下几种：

1）直接电流源充电测电压
　　这种方法要求一个高精度、低电流的电流源以及很高输入阻抗的电压测量器件，因此很难达到高精度。

2）RC振荡
　　这种方式产生脉冲，测量时间常数、频率或周期就可以得到电容值，是一种很简单可行的实现方法，但一般很难获得很高精度，而且会受电阻温漂影响。

3） 交流阻抗测量
　　这种方式比较繁琐，要精确测量端电压和电流，可以通过四线比例测量法和同步解调器获得很高精度，但电路复杂，器件数量较多。

4）基于电荷放大器
　　这种方式用电荷放大器将传感器电容与参考电容的比值转化为电压值，需要ADC将电压转化为数字量。

5）SIGMA-DELTA CDC

原理框图如图4所示： 
采用基于Sigma-Delta的反馈电荷平衡环实现高精度的电容到数字信号（CDC）的转化。

这种方式具有很高的精度和而且能很好地抑制寄生电容影响，甚至使用于小电容的精确测量。

为获得高精度，T型传感器采用SIGMA-DELTA CDC来进行电容的测量。下面结合传感器特点来分析其原理。

平行板电容的计算公式为： 
 
差动电容的表达式如下：
 
式中kP表示差压引起的弹性位移。
测量的目标是差压，差压引起测量膜片位移，因此计算公式如下： 
 
　　显然，计算结果与差压成线性关系，只要测量出两个电容值就能计算出差压。这里假设传感器加工绝对对称，极板面积和介电常数均被约掉，与测量结果无关。实际会存在极板不对称，以及膜片位移的非线性。就算这些都是理想的，也必须虑寄生电容和引线分布电容，因此实际公式如下：
 
式中C0表示寄生电容和引线分布电容

显然计算结果和差压已经不是线性关系了。为得到一个线性关系，必须改造公式为：
  
　　怎样实现呢？可以在电路中加一电容，其值正好为C0，并通过电路构造实现电容相减。也可以通过软件来计算C0，直接构造计算公式。T型传感器为解决这一问题采用后一种方法，因此实际直接测量的是两个电容。

　　显然，通过这一系列的测量和处理后，就能得到精确的差压值，精度可以达到0.02%。

三、T型悬浮压力/差压变送器综合可靠性

　　变送器的可靠性应从两个方面来考虑，即传感器力学部件和电路。从金属电容式传感器的多年应用来看，其力学方面的可靠性是硅传感器和陶瓷传感器所不能比拟的。所以T型悬浮式传感器本体在力学方面的可靠性是是毋庸置疑的，而且一旦传感器组装完成，将封闭于壳体内，不会为外力破坏。电路上，由于传感器本体和壳体是完全隔离的，接线端子与壳体的耐压非常高，上千伏也不会造成损坏，同时外界干扰不能通过壳体传导，电磁干扰也会被壳体阻隔，因此信号电路受外界的干扰和冲击非常之小。而且，信号电路完全封闭于壳体内，不受潮气影响，稳定度大大提高。由于采用了抗寄生电容的测量方式，使寄生电容的影响微乎其微。所以从部件到测量系统，整个变送器的综合可靠性大大提高，测量分辨率达到0.01%以内，综合精度达0.05%，长期稳定性误差<0.1%，传感器封接结构具有非常好的保护作用，保证传感器免维护。

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